Gerum okkar hluti og kannski verður bylting

Frábærar uppgötvanir, djarfar kenningar, vísindaleg bylting. Fjölmiðlar eru uppfullir af slíkum setningum, oftast ýktum. Einhvers staðar í skugga „mikilla eðlisfræðinnar“, LHC, grundvallarheimsfræðilegra spurninga og baráttunnar gegn staðlaða líkaninu, vinna vinnusamir vísindamenn þegjandi og hljóðalaust vinnuna sína, hugsa um hagnýt notkun og víkka út þekkingarsvið okkar skref fyrir skref.

„Við skulum gera okkar eigin hluti“ getur vissulega verið slagorð vísindamanna sem taka þátt í þróun varmakjarnasamruna. Því þrátt fyrir frábær svör við stóru spurningunum er lausn hagnýtra, að því er virðist óveruleg vandamál sem tengjast þessu ferli, fær um að gjörbylta heiminum.

Kannski verður til dæmis hægt að gera kjarnorkusamruna í smáum stíl - með búnaði sem passar á borð. Vísindamenn við háskólann í Washington smíðuðu tækið á síðasta ári Z-klípa (1), sem er fær um að viðhalda samrunaviðbrögðum innan 5 míkrósekúndna, þó helstu áhrifaríku upplýsingarnar hafi verið smæðun kjarnaofnsins, sem er aðeins 1,5 m langur. Z-klípan virkar með því að fanga og þjappa plasmanum í öflugu segulsviði.

Ekki mjög áhrifaríkt, en hugsanlega mjög mikilvægt viðleitni til . Samkvæmt rannsóknum bandaríska orkumálaráðuneytisins (DOE), sem birt var í október 2018 í tímaritinu Physics of Plasmas, hafa samrunaofnar getu til að stjórna plasmasveiflu. Þessar bylgjur ýta háorkuögnum út úr hvarfsvæðinu og taka með sér hluta af orkunni sem þarf til samrunahvarfsins. Ný DOE rannsókn lýsir háþróaðri tölvuhermingu sem getur fylgst með og spáð fyrir um öldumyndun, sem gefur eðlisfræðingum getu til að koma í veg fyrir ferlið og halda ögnum í skefjum. Vísindamenn vona að vinna þeirra muni hjálpa til við byggingu ÍTER, kannski frægasta tilraunasamrunakljúfaverkefnið í Frakklandi.

Einnig afrek eins og plasmahiti 100 milljón gráður á Celsíus, fengin í lok síðasta árs af hópi vísindamanna við Kína Institute of Plasma Physics í Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), er dæmi um skref-fyrir-skref framfarir í átt að skilvirkum samruna. Samkvæmt sérfræðingum sem gera athugasemdir við rannsóknina gæti hún skipt sköpum í fyrrnefndu ITER-verkefni, sem Kína tekur þátt í ásamt 35 öðrum löndum.

Ofurleiðarar og rafeindatæki

Annað svið með mikla möguleika, þar sem verið er að taka frekar lítil og vandvirk skref í stað stórra byltinga, er leitin að háhita ofurleiðurum. (2). Því miður er mikið um falskar viðvaranir og ótímabærar áhyggjur. Yfirleitt reynast háværar fréttir í fjölmiðlum vera ýkjur eða einfaldlega ósannar. Jafnvel í alvarlegri skýrslum er alltaf „en“. Eins og í nýlegri skýrslu hafa vísindamenn við háskólann í Chicago uppgötvað ofurleiðni, getu til að leiða rafmagn án taps við hæsta hitastig sem mælst hefur. Með því að nota háþróaða tækni á Argonne National Laboratory rannsakaði hópur staðbundinna vísindamanna flokk efna þar sem þeir sáu ofurleiðni við hitastig um -23°C. Þetta er um 50 gráðu stökk frá fyrra staðfestu meti.

2. Ofurleiðari í segulsviði

Gallinn er hins vegar sá að það þarf að beita mikilli pressu. Efnin sem voru prófuð voru hýdríð. Í nokkurn tíma hefur lanthanum perhýdríð verið sérstaklega áhugavert. Í tilraunum kom í ljós að mjög þunn sýni af þessu efni sýna ofurleiðni undir áhrifum þrýstings á bilinu 150 til 170 gígapascals. Niðurstöðurnar voru birtar í maí í tímaritinu Nature, meðhöfundur af Prof. Vitaly Prokopenko og Eran Greenberg.

Til að hugsa um hagnýta notkun þessara efna verður þú að lækka þrýstinginn og einnig hitastigið, því jafnvel niður í -23 ° C er ekki mjög hagnýt. Vinna við það er dæmigerð smáskref eðlisfræði, sem hefur staðið yfir í mörg ár á rannsóknarstofum um allan heim.

Sama á við um hagnýtar rannsóknir. segulmagnaðir fyrirbæri í rafeindatækni. Nýlega, með því að nota mjög viðkvæmar segulkannanir, hefur alþjóðlegt teymi vísindamanna fundið óvæntar vísbendingar um að segulmagnið sem á sér stað á viðmóti þunnra laga af ósegulmagnuðu oxíði er auðvelt að stjórna með því að beita litlum vélrænum kraftum. Uppgötvunin, sem tilkynnt var í desember síðastliðnum í Nature Physics, sýnir nýja og óvænta leið til að stjórna segulmagni, sem gerir fræðilega kleift að hugsa um þéttara segulminni og spintronics, til dæmis.

Þessi uppgötvun skapar nýtt tækifæri fyrir smæðun segulminnisfrumna, sem nú þegar hafa stærðina nokkra tugi nanómetra, en frekari smæðun þeirra með þekktri tækni er erfið. Oxíð tengi sameina fjölda áhugaverðra eðlisfræðilegra fyrirbæra eins og tvívíða leiðni og ofurleiðni. Stýring straums með segulmagni er mjög efnilegt svið í rafeindatækni. Að finna efni með réttu eiginleikana, en samt hagkvæmt og ódýrt, myndi gera okkur kleift að taka alvarlega í þróun spintronic.

það er líka þreytandi úrgangshitastýring í rafeindatækni. Verkfræðingar UC Berkeley hafa nýlega þróað þunnt filmuefni (filmuþykkt 50-100 nanómetrar) sem hægt er að nota til að endurheimta úrgangshita til að framleiða orku á stigum sem aldrei hafa sést áður í þessari tegund tækni. Það notar ferli sem kallast pyroelectric power converting, sem nýjar verkfræðirannsóknir sýna að hentar vel til notkunar í varmagjöfum undir 100°C. Þetta er aðeins eitt af nýjustu dæmunum um rannsóknir á þessu sviði. Það eru hundruðir eða jafnvel þúsundir rannsóknaráætlana um allan heim sem tengjast orkustjórnun í rafeindatækni.

„Ég veit ekki af hverju, en það virkar“

Tilraunir með ný efni, fasaskipti þeirra og staðfræðileg fyrirbæri er mjög efnilegt rannsóknarsvið, ekki mjög skilvirkt, erfitt og sjaldan aðlaðandi fyrir fjölmiðla. Þetta er ein sú rannsókn sem oftast er vitnað í á sviði eðlisfræði, þó hún hafi fengið mikla umfjöllun í fjölmiðlum, svokölluð. mainstream þeir vinna yfirleitt ekki.

Tilraunir með fasabreytingar í efnum skila stundum óvæntum árangri, til dæmis málmbræðslu með háum bræðslumarki stofuhiti. Dæmi er nýleg afrek að bræða gullsýni, sem venjulega bráðna við 1064°C við stofuhita, með því að nota rafsvið og rafeindasmásjá. Þessi breyting var afturkræf vegna þess að slökkt var á rafsviðinu gæti gullið storknað aftur. Þannig hefur rafsviðið sameinast þekktum þáttum sem hafa áhrif á fasabreytingar, auk hita og þrýstings.

Fasabreytingar sáust einnig á meðan á mikilli púlsar af leysiljósi. Niðurstöður rannsóknarinnar á þessu fyrirbæri voru birtar sumarið 2019 í tímaritinu Nature Physics. Alþjóðlega teymið til að ná þessu var stýrt af Nuh Gedik (3), prófessor í eðlisfræði við Massachusetts Institute of Technology. Vísindamennirnir komust að því að við bræðslu af völdum ljóss á sér stað fasaskipti með myndun séreininga í efninu, þekktir sem staðfræðilegir gallar, sem aftur hafa áhrif á rafeinda- og grindarvirkni sem myndast í efninu. Þessir staðfræðilegu gallar, eins og Gedik útskýrði í riti sínu, eru hliðstæðar örsmáum hvirfli sem verða í vökva eins og vatni.

Fyrir rannsóknir sínar notuðu vísindamenn efnasamband af lanthanum og tellúr LaTe.₃. Rannsakendur útskýra að næsta skref verði að reyna að ákvarða hvernig þeir geti "myndað þessa galla á stjórnaðan hátt." Hugsanlega væri hægt að nota þetta til gagnageymslu þar sem ljóspúlsar yrðu notaðir til að skrifa eða gera við galla í kerfinu, sem myndi samsvara gagnaaðgerðum.

Og þar sem við komum að ofurhröðum leysipúlsum, er notkun þeirra í mörgum áhugaverðum tilraunum og hugsanlega efnilegum forritum í reynd efni sem oft birtist í vísindaskýrslum. Til dæmis sýndi hópur Ignacio Franco, lektor í efna- og eðlisfræði við háskólann í Rochester, nýlega hvernig hægt er að nota ofurhraða leysipúlsa til að skekkjandi eiginleika efnis Oraz rafstraumsmyndun á hraðari hraða en nokkur tækni sem við höfum þekkt hingað til. Rannsakendur meðhöndluðu þunna glerþráða sem enduðu einn milljónasti úr milljarði úr sekúndu. Á örskotsstundu breyttist glerkennda efnið í eitthvað eins og málmur sem leiðir rafmagn. Þetta gerðist hraðar en í nokkru þekktu kerfi þar sem ekki var beitt spenna. Hægt er að stjórna stefnu flæðisins og styrkleika straumsins með því að breyta eiginleikum leysigeislans. Og þar sem hægt er að stjórna því lítur sérhver rafeindatæknifræðingur af áhuga.

Franco útskýrði í riti í Nature Communications.

Líkamlegt eðli þessara fyrirbæra er ekki að fullu skilið. Franco sjálfur grunar að kerfi eins sterk áhrif, þ.e.a.s. fylgni losunar eða frásogs ljósskammta við rafsvið. Ef það væri hægt að byggja upp virka rafeindakerfi byggð á þessum fyrirbærum, þá myndum við vera með annan þátt í verkfræðiseríunni sem heitir We Don't Know Why, But It Works.

Næmi og lítil stærð

Gyroscopes eru tæki sem hjálpa ökutækjum, drónum, sem og rafeindabúnaði og flytjanlegum tækjum að sigla í þrívíðu rými. Nú eru þau mikið notuð í tæki sem við notum á hverjum degi. Upphaflega voru gyroscopes sett af hreiðri hjólum, sem hvert um sig snerist um sinn ás. Í dag, í farsímum, finnum við örrafmagníska skynjara (MEMS) sem mæla breytingar á kröftum sem verka á tvo eins massa, sveiflast og hreyfast í gagnstæða átt.

MEMS gyroscopes hafa verulegar takmarkanir á næmni. Svo er verið að byggja optísk gyroscopes, án hreyfanlegra hluta, fyrir sömu verkefni sem nota fyrirbæri sem kallast Sagnac áhrif. Hins vegar, þar til nú, var vandamál við smæðun þeirra. Minnstu afkastamiklu sjónspírurnar sem til eru eru stærri en borðtennisboltar og henta ekki fyrir mörg flytjanlegt forrit. Hins vegar hafa verkfræðingar við Tækniháskólann í Caltech, undir forystu Ali Hadjimiri, þróað nýjan sjónræna gyroscope sem fimm hundruð sinnum minnaþað sem vitað er hingað til4). Hann eykur næmni sína með því að nota nýja tækni sem kallast "gagnkvæma styrkingu» Á milli tveggja ljósgeisla sem eru notaðir í dæmigerðum Sagnac víxlmæli. Nýja tækinu var lýst í grein sem birtist í Nature Photonics í nóvember sl.

4. Optical gyroscope þróað af Ali Hadjimiri og samstarfsmönnum hans. 

Þróun nákvæmrar sjónræns gyroscope getur bætt stefnu snjallsíma til muna. Aftur á móti var það smíðað af vísindamönnum frá Columbia Engineering. fyrsta flata linsan fær um að stilla réttan hátt á breitt úrval lita á sama stað án þess að þörf sé á viðbótarþáttum getur haft áhrif á ljósmyndagetu farsímabúnaðar. Byltingarkennda míkron-þunn flatlinsan er umtalsvert þynnri en pappírsörk og skilar afköstum sem eru sambærileg við úrvals samsettar linsur. Niðurstöður hópsins, undir forystu Nanfang Yu, lektors í hagnýtri eðlisfræði, eru kynntar í rannsókn sem birt var í tímaritinu Nature.

Vísindamenn hafa smíðað flatlinsur úr "metatóm". Hvert metatóm er brot af bylgjulengd ljóss að stærð og seinkar ljósbylgjum mismikið. Með því að byggja mjög þunnt flatt lag af nanóbyggingum á undirlagi eins þykkt og mannshár, gátu vísindamennirnir náð sömu virkni og mun þykkara og þyngra hefðbundið linsukerfi. Metalenses geta komið í stað fyrirferðarmikils linsukerfis á sama hátt og flatskjásjónvörp hafa komið í stað CRT sjónvörp.

Hvers vegna stór árekstur þegar það eru aðrar leiðir

Eðlisfræði lítilla skrefa getur líka haft mismunandi merkingu og merkingu. Til dæmis - frekar en að byggja stórkostlega stór mannvirki og krefjast enn stærri, eins og margir eðlisfræðingar gera, getur maður reynt að finna svör við stórum spurningum með hófsamari verkfærum.

Flestir hraðar flýta fyrir agnageislum með því að búa til raf- og segulsvið. Hins vegar gerði hann tilraunir með aðra tækni í nokkurn tíma - plasmahraðlar, hröðun hlaðinna agna eins og rafeinda, positróna og jóna með því að nota rafsvið ásamt bylgju sem myndast í rafeindaplasma. Undanfarið hef ég verið að vinna í nýju útgáfunni þeirra. AWAKE teymið hjá CERN notar róteindir (ekki rafeindir) til að búa til plasmabylgju. Að skipta yfir í róteindir getur fært agnir í hærra orkustig í einu skrefi hröðunar. Aðrar gerðir af vöknunarsviði í plasma þurfa nokkur skref til að ná sama orkustigi. Vísindamenn telja að tækni þeirra sem byggir á róteindum gæti gert okkur kleift að smíða smærri, ódýrari og öflugri hraða í framtíðinni.

5. Tveggja þrepa smáhraðall frá DESY - visualization

Aftur á móti settu vísindamenn frá DESY (stutt fyrir Deutsches Elektronen-Synchrotron - German electronic synchrotron) nýtt met á sviði smæðingar agnahraðla í júlí. Terahertz hraðallinn meira en tvöfaldaði orku rafeinda sem sprautað var inn (5). Á sama tíma bætti uppsetningin gæði rafeindageislans verulega samanborið við fyrri tilraunir með þessa tækni.

Franz Kärtner, yfirmaður ofurhraðra ljósfræði- og röntgengeislahóps DESY, útskýrði í fréttatilkynningu. -

Tilheyrandi tæki framleiddi hröðunarsvið með hámarksstyrk upp á 200 milljónir volta á metra (MV/m) - í ætt við öflugasta nútíma hefðbundna hraðalinn.

Aftur á móti nýr, tiltölulega lítill skynjari ALFA-g (6), smíðaður af kanadíska fyrirtækinu TRIUMF og fluttur til CERN fyrr á þessu ári, hefur það verkefni að mæla þyngdarhröðun andefnis. Hraðast andefni í nærveru þyngdarsviðs á yfirborði jarðar um +9,8 m/s2 (niður), um -9,8 m/s2 (upp), um 0 m/s2 (engin þyngdarhröðun) eða hefur einhverja önnur verðmæti? Síðari möguleikinn myndi gjörbylta eðlisfræðinni. Lítið ALPHA-g tæki getur, auk þess að sanna tilvist „andþyngdaraflsins“, leitt okkur á braut sem liggur að stærstu leyndardómum alheimsins.

Á enn minni mælikvarða erum við að reyna að rannsaka fyrirbæri á enn lægra stigi. Hér að ofan 60 milljarða snúninga á sekúndu það geta verið hannað af vísindamönnum frá Purdue háskólanum og kínverskum háskólum. Samkvæmt höfundum tilraunarinnar í grein sem birt var fyrir nokkrum mánuðum í Physical Review Letters, mun slík sköpun gera þeim kleift að skilja betur leyndarmál .

Hluturinn, sem er í sama miklum snúningi, er nanóögn um 170 nanómetrar á breidd og 320 nanómetrar að lengd, sem vísindamennirnir mynduðu úr kísil. Rannsóknarteymið lyfti hlut í lofttæmi með því að nota leysir, sem síðan pulsaði hann á gríðarlegum hraða. Næsta skref verður að gera tilraunir með enn hærri snúningshraða, sem mun gera nákvæmar rannsóknir á grundvallar eðlisfræðikenningum, þar með talið framandi núningsform í lofttæmi. Eins og þú sérð þarftu ekki að byggja kílómetra af rörum og risastórum skynjara til að takast á við grundvallar leyndardóma.

Árið 2009 tókst vísindamönnum að búa til sérstakt svarthol á rannsóknarstofunni sem gleypir hljóð. Síðan þá þessar звук  reyndust gagnlegar sem hliðstæður á rannsóknarstofu við ljósgleypandi hlutinn. Í grein sem birt var í tímaritinu Nature í júlí, lýsa vísindamenn við Technion Israel Institute of Technology hvernig þeir bjuggu til hljóðsvarthol og mældu Hawking geislunarhita þess. Þessar mælingar voru í samræmi við hitastigið sem Hawking spáði. Þannig virðist sem ekki þurfi að fara í leiðangur að svartholi til að kanna það.

Hver veit nema svörin við stærstu spurningunum leynist í þessum að því er virðist óhagkvæmari vísindaverkefnum, í erfiðu tilraunaverkefni og endurteknum tilraunum til að prófa litlar, sundurleitar kenningar. Vísindasagan kennir að þetta getur gerst.